可穿戴式汗液成分实时检测系统研究

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可穿戴健康监测设备被广泛运用于技术和生命科学领域,尤其在临床诊断和健康监测领域已成为研究的热点,并有很好的应用前景。  本文着重研究可穿戴生理信号实时检测系统,通过汗液pH值及皮肤温度对运动时生理健康状况进行监测,结合信号调节处理和无线传输电路,实现原位实时检测(不需外部分析)传感器阵列,对进行活动的用户进行个性化诊断和实时生理监测;对志愿者进行汗液成分实时监测实验,对记录运动过程中汗液pH及温度变化数据,并进行分析。  本文基于汗液无创、易获取、可实时监测特点,提出了可穿戴汗液成分实时监测系统的设计方案,该可穿戴汗液成分实时监测系统主要包括四个部分:传感器监测模块、信号处理模块、中央微处理器模块、蓝牙传输至手机模块,实现了实时监测汗液pH、皮肤温度监测装置的硬件系统及通过蓝牙传输至手机实时显示的软件程序,实现了志愿者运动过程中汗液pH值和皮肤温度的实时测量,并对所得生理数据进行了分析。  本文的主要内容如下:  介绍汗液成分及其组份浓度的生理意义,介绍传感器基础原理,蓝牙通讯原理以及Android操作系统原理,结合可穿戴汗液成分检测系统的具体指标,提出基于离子选择电极的汗液成分实时监测装置的整体设计方案。根据人体汗液酸碱度特点及皮肤温度,选择合适检测范围为4-9的pH传感器和检测范围为25-45℃的温度传感器,并对传感器进行校准。  设计并实现了数据放大和滤波的信号处理模块。根据传感器模块信号输出和中央处理器模块对信号输入的要求,提出信号处理电路设计指标。设计并实现了10倍放大倍数正向比例放大器和过滤高频信号干扰的低通二阶滤波电路,截止频率为10Hz。  选用Arduino uno R3作为中央处理器,实现双通道数据处理、传输及实时显示,处理器主控芯片为ATMega328P,并利用arduino平台编写数据处理程序,数据采集频率为10Hz,并将处理后的信号传输至液晶显示器和蓝牙串口。液晶显示器可以实时显示生理数据;蓝牙串口实现无线串口通讯,向手机发送实时生理信号。  基于JAVA语言,通过Arduino Studio平台编写程序制作手机app,设计并实现用户界面编辑,手机蓝牙与HC-05蓝牙串口连接,接受、处理并显示汗液成分检测信息模块。对程序进行调试后,下载至手机,连接蓝牙串口,实现数据传输。  设计并完成了本文中提出的可穿戴汗液实时监测系统,达到文中所提出的系统设计指标,并利用本装置设计运动实验,对运动中汗液pH及皮肤温度的变化进行分析。将各模块整合并封装,记录志愿者运动过程中汗液pH及皮肤温度的变化情况,结果表明运动中,汗液pH及皮肤温度均呈上升趋势,在人体缺水时上升速度明显加快。该系统可以实现汗液pH值和皮肤温度的实时监测,证明本文所提出的设计方案有效。
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